Možemo li spriječiti nastanak pukotina u 3D printanim keramičkim materijalima već tijekom njihove pripreme?

Aditivna proizvodnja, poznatija kao 3D printanje, otvorila je nove mogućnosti u razvoju biomaterijala za obnovu oštećenog koštanog tkiva. Ovom tehnologijom moguće je izraditi složene trodimenzijske strukture precizno kontrolirane geometrije i poroznosti, prilagođene zahtjevima inženjerstva koštanog tkiva. Međutim, kada je riječ o keramičkim materijalima, uspješno 3D printanje tek je prvi korak. Pravi izazov nastupa tijekom naknadne toplinske obrade, kada se printana struktura mora pretvoriti u čvrst i stabilan keramički materijal.

Tijekom sinteriranja, postupka zagrijavanja kojim se keramičke čestice međusobno povezuju i materijal zgušnjava, dolazi do skupljanja strukture. Ako taj proces nije dovoljno ujednačen dolazi do nastanka deformacija, mikropukotina i drugih strukturnih nedostataka koji narušavaju mehanička svojstva konačnog proizvoda. Takvi problemi posebno su izraženi kod poroznih keramičkih potpornja za regeneraciju čvrstog tkiva, čija je složena unutarnja struktura važna za njihovu potencijalnu primjenu u obnovi koštanog tkiva.

Projekt CaPES-3D polazi od ideje da se stabilnost 3D printanih keramičkih struktura može poboljšati već tijekom pripreme samog materijala, a ne isključivo naknadnom optimizacijom postupaka 3D printanja i sinteriranja.

U središtu istraživanja nalaze se kompoziti β-trikalcijeva fosfata (β-TCP), biokeramičkog materijala kemijski srodnog mineralnoj komponenti kosti, i titanijevih nanožica (TiNW). Riječ je o iznimno tankim, izduženim nanostrukturama koje bi mogle pridonijeti poboljšanju strukturne stabilnosti keramičkih kompozita. Umjesto uobičajenog postupka fizičkog miješanja dviju vrsta čestica, razvit će se pristup u kojem se kalcijevi fosfati sintetiziraju u prisutnosti titanijevih nanožica. Cilj je postići njihovu ravnomjerniju raspodjelu i bolju međusobnu povezanost unutar kompozitnog materijala.

Tako pripremljeni materijali upotrebljavat će se za izradu keramičkih pasti namijenjenih ekstruzijskom 3D printanju, tehnologiji u kojoj se materijal kontrolirano istiskuje kroz mlaznicu i nanosi sloj po sloj. Istraživat će se kako sastav i mikrostruktura kompozita utječu na svojstva pasti, preciznost 3D printanja, ponašanje tijekom sinteriranja te konačnu mehaničku stabilnost poroznih nosača. Posebna pozornost posvetit će se razumijevanju nastanka pukotina i mogućnostima njihova smanjenja.

Budući da su materijali namijenjeni potencijalnoj biomedicinskoj primjeni, istraživanje neće biti ograničeno samo na njihova fizikalno-kemijska i mehanička svojstva. Ispitat će se i njihova bioaktivnost, međudjelovanja s proteinima te biološki odgovor koštanih stanica, uključujući primarne humane osteoblaste. Time će se nastojati povezati način pripreme materijala, njegova struktura i svojstva s ponašanjem u biološkom okruženju.

Konačni cilj projekta CaPES-3D nije samo razviti novi keramički kompozit, nego razumjeti kako dizajn materijala na nanometarskoj razini utječe na stabilnost složenih struktura izrađenih 3D printanjem. Dobivena znanja mogla bi pridonijeti razvoju pouzdanijih i reproducibilnijih postupaka proizvodnje poroznih biokeramičkih nosača te pružiti znanstvenu osnovu za budući razvoj materijala namijenjenih obnovi koštanog tkiva.

Istraživački tim

Voditeljica projekta

• dr. sc. Ina Erceg

Suradnice na projektu

• dr. sc. Suzana Inkret
• dr. sc. Irena Ivanišević
• dr. sc. Ana Ivančić
• dr. sc. Ivana Vrgoč Zimić

Osnovni podaci o projektu

Financiranje: Hrvatska zaklada za znanost (HRZZ)
Program: Uspostavni istraživački projekti 2026.
Oznaka projekta: UIP-2026-1107
Ustanova: Institut Ruđer Bošković, Zagreb
Trajanje projekta: 15. listopada 2026. – 14. listopada 2029.
Odobrena sredstva: 193.200,00 EUR